CN115135449A - 可变形的基板卡盘 - Google Patents

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Abstract

一种承载头包括：壳体；支撑组件，所述支撑组件具有支撑板，所述支撑板柔性地连接至壳体以便能竖直移动；多个流体不可渗透的阻挡层，所述多个流体不可渗透的阻挡层从支撑板的底部突出以限定在其底侧处开口的多个凹槽；以及气动控制线。支撑板与壳体之间的体积包括一个或多个可独立加压的第一腔室，以在一个或多个第一区中在支撑板的顶表面上施加压力。阻挡层被定位和配置成使得当平坦基板被装载到承载头中时，阻挡层接触基板并将支撑板与10基板之间的体积分成多个第二腔室。气动控制线耦合至多个凹槽以提供多个可独立加压的第二区。

Description

可变形的基板卡盘
技术领域
本发明涉及用于在化学机械抛光(CMP)中使用的承载头。
背景技术
集成电路通常通过在半导体晶片上顺序沉积导电层、半导电层或绝缘层而形成在基板上。多种制造工艺需要平坦化基板上的层。例如，一个制造步骤涉及在非平坦表面之上沉积填料层并平坦化所述填料层。对于某些应用，将填料层平坦化，直到图案化的层的顶表面被暴露。例如，可以在图案化的绝缘层上沉积金属层，以填充绝缘层中的沟槽和孔。在平坦化之后，图案化的层的沟槽和孔中的金属的剩余部分形成通孔、插塞和线，以在基板上的薄膜电路之间提供导电路径。作为另一个示例，介电层可以沉积在图案化的导电层之上，随后经平坦化以实现后续的光刻步骤。
化学机械抛光(CMP)是一种公认的平坦化方法。这种平坦化方法通常需要将基板安装在承载头上。基板的暴露表面通常抵靠旋转抛光垫放置。承载头在基板上提供可控负载，以将基板抵靠在抛光垫上。通常将具有磨粒的抛光浆料供应至抛光垫的表面。
发明内容
在一个方面中，一种承载头包括：壳体；支撑组件，所述支撑组件具有支撑板，所述支撑板柔性地连接至壳体以可相对于壳体竖直移动；多个流体不可渗透的阻挡层，所述多个流体不可渗透的阻挡层从支撑板的底部突出以限定在其底侧处开口的多个凹槽；以及气动控制线。支撑板与壳体之间的体积包括一个或多个可独立加压的第一腔室，以在一个或多个第一区中在支撑板的顶表面上施加压力。阻挡层被定位和配置成使得当平坦基板被装载到承载头中时，阻挡层接触基板并将支撑板与基板之间的体积分成多个第二腔室。气动控制线耦合到多个凹槽以提供多个可独立加压的第二区。
可能的优点可包括但不限于以下各项中的一者或多者。由于多个微区可以使用压力和真空来控制基板形状(例如，控制基板中的屈曲或弯曲的程度)，并且一个或多个宏区可以向基板施加抛光压力，因此可变形的基板卡盘可以提供额外的工艺调谐参数并提高压力分辨率。
可变形的基板卡盘可以通过根据基板的形状和抛光垫刚度在基板上分布压力(例如，通过增加在需要额外压力的基板部分处施加的压力和通过减少在需要较小压力的基板部分施加的压力)来改善晶片内的均匀性。此外，因为压力是根据基板的形状和抛光垫刚度分布的，所以可以通过定制施加到每个基板的抛光分布来改善晶片与晶片之间的均匀性。原位计量可用于测量基板的形状，并且此数据可用作对控制器的反馈以调节压力来实现目标形状。
附图说明
图1是抛光系统的示意性剖视图。
图2是承载头的示意性剖视图。
图3A是支撑组件和基板的示意性剖视图。
图3B是由支撑组件施加到图3A的基板的力的示意性剖视图。
图3C是在抛光垫上的图3B的变形基板的示意性剖视图。
具体实施方式
一些抛光工艺导致整个基板表面上的厚度不均匀。不均匀性的一个原因是基板形状的变化。即使假设正在被抛光的基板具有均匀的厚度，基板作为整体也可能是非平坦的，例如具有凹入或凸出的弓形或者像薯片一样弯曲。此曲率可以小到例如几十微米，但是以比正在制造的结构大得多的尺度(例如，跨1-10cm的横向距离)发生。当这种非平坦基板被压靠在抛光垫上时，由弓形或起伏提供的基板的“峰”更强硬地压靠在抛光垫上，并且因此在抛光期间经受更高的压力。因此，即使承载头向晶片的背侧施加均匀的压力，基板的一些区域也可能被以更高的速率抛光，从而导致这些区域被过度抛光。
为了解决此问题，可以使用“基于形状的”方法来根据基板形状和抛光支撑垫刚度分配压力。一个或多个宏区可用于向抛光支撑垫施加压力，并且多个具有压力和真空输入的微区可用于控制基板的形状。
图1图示了包括一个或多个承载头140(仅示出一个)的抛光系统100的示例。每个承载头140可操作以将基板10(诸如晶片)保持抵靠抛光垫110以进行抛光。每个承载头140可以具有对与每个相应基板相关联的抛光参数(例如，压力)的独立控制。
每个承载头140从支撑结构150(例如，转盘或轨道上)悬挂，并且通过驱动轴152连接至承载头旋转电机154，使得承载头可以围绕轴线155旋转。可选地，每个承载头140可以例如在转盘150上的滑块上横向振荡；通过转盘本身的旋转振荡而振荡，或者通过将支撑承载头140的托架沿着轨道运动而振荡。
抛光系统100中包括的压板120是可旋转的盘形压板，抛光垫110位于所述可旋转的盘形压板上。压板可操作以围绕轴线125旋转。例如，电机121可以转动驱动轴124以旋转压板120。抛光垫110可以是具有带有抛光表面113的外抛光层112和较软的背衬层114的双层抛光垫。
抛光系统100可包括端口130以将抛光液体132(诸如浆料)分配到抛光垫110上。抛光装置还可包括抛光垫调节装置以研磨抛光垫110，从而将抛光垫110保持在一致的研磨状态。调节还可以以一致的速率磨损抛光垫。
在操作中，压板围绕其中心轴线125旋转，并且每个承载头围绕其中心轴线155旋转，并且横向平移跨过抛光垫的顶表面。
尽管仅图示了一个承载头140，但是可以提供更多的承载头来保持额外的基板，以便可以高效地使用抛光垫110的表面积。因此，适于保持基板以进行同时抛光工艺的承载头组件的数量可以至少部分地基于抛光垫110的表面积。
在一些实施方式中，抛光装置包括原位监测系统160。原位监测系统可以是光学监测系统(例如，光谱监测系统)，所述光学监测系统可用于测量来自正在经历抛光的基板的反射光的光谱。通过包括孔隙(即，延伸贯穿抛光垫的孔)或实心窗口118来提供穿过抛光垫的光学通路。替代地或附加地，原位监测系统可包括涡流监测系统。
在一些实施方式中，监测系统160是按序(in-sequence)光学监测系统，所述按序光学监测系统具有定位在两个抛光装置之间或抛光装置与转移站之间的探头(未图示)。监测系统160可以在抛光期间连续或周期性地监测基板的区的一个或多个特征。例如，一个特征是基板的每个区的厚度。
在原位或按序实施例中，监测系统160可包括光源162、光检测器164以及用于在远程控制器190(例如，计算机)与光源162以及光检测器164之间发送和接收信号的电路系统166。一根或多根光纤170可用于将来自光源162的光传输到抛光垫中的光学入口，并将从基板10反射的光传输到检测器164。
参考图1至图2，承载头140包括壳体102、保持环142以及壳体102内的支撑组件200。
保持环142被配置成将基板10保持在支撑组件200下方。保持环142可以是浮动保持环，所述浮动保持环竖直可移动地连接至壳体102。密封件206(例如环形弯曲件、滚动隔膜或波纹管)，可用于将保持环142连接至壳体102并形成可加压腔室215，可加压腔室215允许控制保持环142的竖直位置和保持环142上的向下压力。可加压腔室215可以连接至独立可控的压力源220。例如，每个通道222上的阀224可以调节流入可加压腔室215的气流。
支撑组件200包括支撑板202。支撑板202可以足够宽以横跨整个基板10。如果支撑板柔性过大，则所述支撑板不能强制使基板改变形状。但是如果支撑板刚度过大，则对背侧压力分布的响应会太弱。支撑板202的最佳刚度是形状可控性与施加的压力分辨率之间的折衷。
壳体102与支撑板202之间的体积被一个或多个柔性流体不可渗透的第一阻挡层208(例如，环形弯曲件、滚动隔膜或波纹管)分成多个上部腔室210。第一阻挡层208可以允许支撑板202相对于壳体102竖直移动。第一阻挡层208还可用于将支撑板202固定到壳体102，尽管从壳体向内突出的凸缘或其他机构可用于限制支撑板202的向下运动和/或防止柔性阻挡层208的过度延伸。可以有1至10个上部腔室210。上部腔室的数量可以基于支撑板202的刚度来选择。通常，板的刚度越大，则需要的上部腔室就越少。对于刚性支撑板，1个或2个上部腔室可能就足够了。上部腔室210可以使用一个或多个压力源220经由通道222加压。每个上部腔室210可以连接至独立可控的压力源220。例如，每个通道222上的压力调节器224可以调节每个上部腔室210中的压力。
多个流体不可渗透的第二阻挡层204可以紧固至支撑板202的底面。第二阻挡层204可以从支撑板202的底面大致竖直向下(例如，与支撑板202成直角)延伸。支撑板202下方的第二阻挡层之间的间隙限定了在其底端处开口的凹槽。
在一些实施方式中，第二阻挡层204从背衬膜向下延伸，所述背衬膜由与第二阻挡层204相同的材料形成。膜的后表面可以邻接并(例如，通过粘合剂或通过机械固定装置(诸如夹钳))附接到支撑板。第二阻挡层204可由单个模制部分提供，例如作为从背衬膜向下延伸的脊或作为互连网格，所述互连网格不需要背衬膜。替代地，第二阻挡层204可以提供为独立紧固至支撑板202的单独零件。
流体不可渗透的第二阻挡层204可以是柔软和可压缩的。例如，流体不可渗透的第二阻挡层204可以由硬度为30-60肖氏硬度A和/或弹性模数小于50MPa的材料形成。第二阻挡层204可以是弹性体，例如热塑性弹性体。第二阻挡层可以是橡胶材料，诸如硅橡胶。在一些实施方式中，第二阻挡层比支撑板202更有弹性和/或更可压缩。
尽管第二阻挡层204是柔软且可压缩的，但是取决于支撑板202的抗弯刚度，承载头140的三种配置都是可能的，每一种配置具有相关联的操作模式。
第一，承载头140可以用于真空卡紧基板，而没有使基板变形，但是具有施加的压力分布。在这种情况下，可以使用顺应性密封层和顺应性支撑板202。这可以被称为顺应性/顺应性组合。在这种情况下，支撑板202的抗弯刚度可以在基板的抗弯刚度的0.1倍至1倍的范围内。
第二，承载头140可用于真空卡紧基板，具有基板变形并且具有施加的压力分布。在这种情况下，可以使用顺应性密封层和半刚性支撑板202。这可以称为半刚性/顺应性组合。在这种情况下，支撑板202的抗弯刚度可以在基板的抗弯刚度的1倍至25倍的范围内。如果支撑板202太刚性，则支撑板202不能以将压力分布转移到基板前侧的方式将压力分布施加至基板的背侧。
例如，支撑板202可以由金属(例如，不锈钢)或塑料(例如，聚醚醚酮(PEEK))制成。为了实现上述抗弯刚度，由PEEK形成的支撑板可以具有介于约2.5mm与7.0mm之间的厚度，而由不锈钢形成的支撑板可以具有介于约0.6mm与1.8mm之间的厚度。如果支撑板仅用于卡紧基板而不使基板变形，则支撑板可以柔性得多，例如是基板刚度的0.01倍至1.0倍。为了实现上述抗弯刚度，由PEEK形成的支撑板的厚度可以介于约0.5mm与2.5mm之间。
第三，承载头140可用于真空卡紧基板，具有基板变形但没有施加的压力分布。在这种情况下，可以使用顺应性密封层和刚性支撑板202。在最后这种情况下，将均匀压力施加至支撑板202。这可以称为刚性/顺应性组合。在这种情况下，支撑板202的抗弯刚度可以是基板的抗弯刚度的至少25倍。
抗弯刚度(或刚性)可计算为D＝Et3/12*(1-nu^2)，其中E是抗弯模数，t是厚度，并且nu是泊松比。在第一种近似情况下，基板的抗弯刚度主要由下层硅晶片的抗弯刚度确定。300mm直径的晶片的杨氏模数为112GPa。因此，在顺应性/顺应性组合中，支撑板202的抗弯刚度可为约0.02Pa·m3至0.40Pa·m3。在半刚性/顺应性组合中，支撑板202的抗弯刚度可为约0.4Pa·m3至10Pa·m3。在刚性/顺应性组合中，支撑板202的抗弯刚度可大于10Pa·m3。
当第二阻挡层204接触基板时，阻挡层可以形成不透流体的密封，所述不透流体的密封将支撑板202与基板10之间的体积分成多个下部腔室212，每个下部腔室212对应于凹槽中的一个凹槽。下部腔室212可以被减压以将基板10卡紧到承载头140。
第二阻挡层204将支撑板202与基板10之间的体积分成多个下部腔室212。可以有2至100个第二阻挡层204紧固至支撑板202。特别地，每个上部腔室210下方的区域可以被分成多个下部腔室212，例如2至10个下部腔室212。因此，至少一些第二阻挡层204在横向上位于限定上部腔室的相邻第一阻挡层202之间(尽管在竖直上位于所述相邻第一阻挡层下方)。第二阻挡层204可以是环形的。第二阻挡层204可以间隔开2mm至100mm。支撑板202下方的中央下部腔室的直径可为20mm至200mm。例如，如果有单个大中心区和单个窄外部区，则中心区的直径可以是200mm，并且外部区的宽度可以是50mm(对于直径为300mm的基板)。另一方面，对于10个下部腔室212，中心区的直径可为60mm，并且其余腔室的宽度可各自为30mm。当然，其他配置也是可能的，例如，下部腔室可以朝着承载头的外边缘逐渐变窄。
还参考图3A至图3C，一个或多个下部腔室212可以使用一个或多个压力源220经由通道222加压或减压。每个下部腔室212可以连接到独立可控的压力源220。例如，每个通道222上的阀或压力调节器224可以调节进入每个下部腔室212的气体流量。虽然仅示出一个微区212连接至压力源220，但是每个下部腔室212可以连接至相应独立可控的压力源220。然而，在一些实施方式中，多个下部腔室(例如，一组相邻的下部腔室212)可以连接到公共压力源220。在这种情况下，当基板被卡紧抵靠在第二阻挡层204上时，第二阻挡层204可以为基板提供支撑。
一个或多个下部腔室212可以使用一个或多个真空源230经由真空通道232减压。每个下部腔室212可以连接至独立可控的真空源230。例如，每个真空通道232上的阀234可以调节从每个下部腔室212抽吸或抽真空的气体流量。虽然仅示出一个下部腔室212连接至真空源230，但是应当理解的是，每个下部腔室212可以连接至真空源230。
对下部腔室212中的一个或多个下部腔室212减压可以在对应的下部腔室212中创建真空，并将基板10卡紧至承载头140中的支撑板202。
在承载头的半刚性/顺应性和刚性/顺应性配置中，可以控制下部腔室212以使基板10变形。例如，支撑板具有足够的刚性，使得对下部腔室212中的一些下部腔室212减压并同时对其他下部腔室212加压可使基板弯曲(其中支撑板202的弯曲小于基板，取决于相对抗弯刚度)。
在承载头的顺应性/顺应性和半刚性/顺应性配置中，宏区210可以由压力源220加压到不同的压力，以向基板10的不同区域施加不同的抛光压力。特别地，支撑板202可以基于在宏区中施加的压力而稍微弯曲，并且此压力差经由第二阻挡层204传递到基板。如果支撑板202太刚性，则来自宏区210的任何压力差将被支撑板202抹平。
在一些实施方式中，将下部腔室212加压，使得在基板上存在净零向下力。
原位计量可用于测量基板的形状，并且此数据可用作对控制器的反馈以调节压力来实现目标形状。参考图1，监测系统160可用于测量基板10的形状。例如，可以测量基板相对于参考形状的变形。测量值可以被发送至控制器190，控制器190可随后控制一个或多个压力源220和/或一个或多个真空源230来对下部腔室212加压和/或减压，以使基板10变形以供进行抛光。应注意，可以使用压力或真空中的任一者来使基板10变形。在一些实施方式中，标称真空可以施加至所有的下部腔室212(以紧固基板)，并且“更高”的真空(即甚至更低的压力)可以施加至特定的下部腔室以使基板10变形。
本文所述的系统的控制器和其他计算设备部分可以在数字电子电路系统中实施，或者在计算机软件、固件或硬件中实施。例如，控制器可包括处理器以执行存储在计算机程序产品中(例如，非暂时性机器可读存储介质中)的计算机程序。这种计算机程序(也称为程序、软件、软件应用程序或代码)可以用任何形式的编程语言(包括编译或解释语言)编写，并且可以以任何形式(包括作为独立程序或作为模块、部件、子例程、或适合在计算环境中使用的其他单元)部署。
尽管本文件包含许多特定的实施细节，但这些实施细节不应被解释为对任何发明或可能主张保护的对象的范围的限制，而是作为对特定发明的特定实施例的特定特征的描述。本文件中在分开的实施例的上下文中描述的某些特征也可以在单个实施例中组合实施。相反，在单个实施例的上下文中描述的各种特征也可以在多个实施例中分开地实施或者以任何合适的子组合实施。此外，尽管特征可以在上面被描述为以某些组合起作用并且甚至最初被如此主张，但是来自所主张的组合的一个或多个特征在一些情况下可以从所述组合中删除，并且所主张的组合可涉及子组合或子组合的变体。
已经描述了本发明的多个实施例。然而，应当理解的是，可以进行各种修改。例如：
·下部腔室可以大于或小于上部腔室。
·密封件不必同心。例如，密封件可以形成饼形区。
·密封件和支撑板可以由单个模制主体(例如，热塑性弹性体(TPE))
形成。
因此，其他实施方式在以下权利要求的范围内。

Claims (20)

1.一种承载头，包括：
壳体，
支撑组件，所述支撑组件具有支撑板，所述支撑板柔性地连接至所述壳体以便能相对于所述壳体竖直移动，其中所述支撑板与所述壳体之间的体积包括一个或多个可独立加压的第一腔室，以在一个或多个第一区中在所述支撑板的顶表面上施加压力，
多个流体不可渗透的阻挡层，所述多个流体不可渗透的阻挡层从所述支撑板的底部突出以限定在其底侧处开口的多个凹槽，所述阻挡层被定位和配置成使得当平坦基板被装载到所述承载头中时，所述阻挡层接触所述基板并将所述支撑板与所述基板之间的体积分成多个第二腔室；以及
气动控制线，所述气动控制线耦合至所述多个凹槽以提供多个可独立加压的第二区。
2.如权利要求1所述的承载头，其中至少一个第二区包括多个凹槽，其中由所述多个凹槽限定的第二腔室中的压力通常由气动控制线控制。
3.如权利要求2所述的承载头，其中多个第二区各自包括多个凹槽，由相应区的所述多个凹槽限定的第二腔室中的压力通常由用于所述相应区的气动控制线控制。
4.如权利要求2所述的承载头，其中所述第二区包括4至100个凹槽。
5.如权利要求1所述的承载头，其中所述第二区比所述第一区更窄。
6.如权利要求1所述的承载头，其中所述支撑板与所述壳体之间的所述体积被分成1至10个第一区。
7.如权利要求6所述的承载头，包括至少一个上部阻挡层，所述至少一个上部阻挡层将所述支撑板与所述壳体之间的所述体积分成多个第一区。
8.如权利要求6所述的承载头，进一步包括2至10个第二区。
9.如权利要求6所述的承载头，其中存在比第一区更大数量的第二区。
10.如权利要求1所述的承载头，其中每个第一区下方的区域被分成多个第二区。
11.如权利要求1所述的承载头，其中所述阻挡层是可压缩的。
12.如权利要求11所述的承载头，其中所述阻挡层由弹性体组成。
13.如权利要求12所述的承载头，其中所述弹性体包含橡胶或硅树脂。
14.如权利要求11所述的承载头，其中所述阻挡层是闭孔聚合物垫的多个部分。
15.如权利要求1所述的承载头，其中所述支撑板具有的抗弯刚度是由硅形成的平坦基板的抗弯刚度的0.1倍至1倍，并且经成形为适配在所述承载头上。
16.如权利要求1所述的承载头，其中所述支撑板具有的抗弯刚度是由硅形成的平坦基板的抗弯刚度的1倍至25倍，并且经成形为适配在所述承载头上。
17.如权利要求1所述的承载头，其中所述支撑板具有的抗弯刚度大于由硅形成的平坦基板的抗弯刚度的25倍，并且经成形为适配在所述承载头上。
18.如权利要求1所述的承载头，其中所述支撑板是塑料的。
19.一种化学机械抛光系统，包括：
压板，所述压板具有抛光表面；
承载头，所述承载头包括
壳体，
支撑组件，所述支撑组件具有支撑板，所述支撑板连接至所述壳体，其中所述支撑板与所述壳体之间的体积被分成多个可独立加压的第一区，以及
多个流体不可渗透的阻挡层，所述多个流体不可渗透的阻挡层从所述支撑板的底部突出，所述阻挡层经定位和配置成使得当基板被装载到所述承载头中时，所述阻挡层接触所述基板并将所述支撑板与所述基板之间的体积分成比所述第一区更窄的多个可加压且可减压的第二区；
一个或多个压力源，所述一个或多个压力源连接至所述第一区和所述第二区；
光学监测系统，所述光学监测系统被配置为测量所述基板的形状；以及
控制器，所述控制器连接至所述光学监测系统和所述一个或多个压力源，其中所述控制器被配置为基于所述基板的所述形状来控制所述第二区中的压力。
20.一种抛光基板的方法，包括以下步骤：
使由承载头保持的基板与抛光垫接触，使得从所述承载头中的支撑板的底部突出的多个流体不可渗透的阻挡层接触所述基板并将所述支撑板与所述基板之间的体积分成多个可独立加压的第二区；
控制所述支撑板与所述承载头的壳体之间的多个可独立加压的第一区中的压力，以便控制所述支撑板的弯曲；以及
控制所述支撑板下方的所述多个可独立加压的第二区中的压力。
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